集成于脊髓电刺激电极的光纤力传感器及安全递送方法

本技术一般涉及脊髓电极，具体涉及一种集成于脊髓电刺激电极的光纤力传感器及安全递送方法。

背景技术：

1、脊髓电刺激（scs）疗法通过向硬膜外腔植入电极并施加电脉冲以调控神经活动，是治疗慢性疼痛及促进脊髓损伤后功能重建的重要手段。scs电极通常经皮穿刺递送，术者在x线引导下通过穿刺针将柔性电极推送至硬膜外腔目标节段。硬膜外腔前后径仅3-5mm，内含脂肪组织、静脉丛、脊神经根等多种结构，解剖层次复杂且个体差异显著，电极尖端递送时不可避免地与腔壁组织发生接触与碰撞。因此，在电极尖端集成力传感功能以实现接触力的实时监测，对于辅助术者判断尖端状态、避免医源性损伤具有重要意义。

2、但现有scs电极均未集成尖端力传感功能，术者仅凭操作端的间接触觉判断尖端状态，信号经柔性电极长距离传递后严重失真，异常阻力难以及时辨识，术后并发症发生率高达30%-40%。主要原因在于：scs电极需通过14g穿刺针（内径约1.7 mm）递送，传统电阻应变式、压电式及mems传感器因布线复杂、封装体积大而难以满足微型化要求；同时电极内部需传输高频高压刺激脉冲，传统电学传感器极易受电磁干扰而失效。光纤布拉格光栅（fbg）传感器虽具有径细、抗电磁干扰等优势，但直接将fbg传感器粘贴于柔性电极表面，会因基材粘弹性导致迟滞与蠕变；薄壁管状电极的轴向刚度远大于径向弯曲刚度，轴向受力时变形量极小，导致fbg传感器对轴向力的分辨率极低；且轴向受压时柔性电极易发生径向屈曲，使fbg传感器栅区应变分布不均，引入非线性误差，严重影响三维力解耦精度。

技术实现思路

1、鉴于现有技术中的上述缺陷或不足，期望提供可解决上述技术问题的一种集成于脊髓电刺激电极的光纤力传感器及安全递送方法。

2、第一方面，本技术提供一种集成于脊髓电刺激电极的光纤力传感器，包括：

3、弹性套筒，所述弹性套筒设置于电极尖端的一侧，所述弹性套筒与所述电极尖端之间连接；

4、弹性变形区，所述弹性变形区设置于所述弹性套筒上，所述弹性变形区具有多个弹性变形单元，多个所述弹性变形单元设置于所述弹性套筒上，且沿所述弹性套筒的外壁周向间隔设置；所述弹性变形单元用于降低所述弹性套筒的轴向刚度；

5、容置槽，所述容置槽设置有多个，各所述容置槽设置于电极的外壁并沿其轴向延伸至所述弹性套筒；

6、fbg传感光纤，所述fbg传感光纤设置有多个，各所述fbg传感光纤上均具有fbg栅区；所述fbg传感光纤分别设置于对应的所述容置槽内，且所述fbg栅区处于所述弹性变形区内，用于感知所述弹性变形区的形变。

7、根据本技术提供的技术方案，每个所述弹性变形单元包括多个变形孔，多个所述变形孔沿所述弹性套筒的轴向间隔排列设置；

8、所述变形孔具有分设于其两端的两个端部圆孔段，以及设于两个所述端部圆孔段之间的中间渐变段；两个所述端部圆孔段均为等直径圆孔；所述中间渐变段的沿所述弹性套筒的轴向高度由其中部向其两侧分别逐步减小，所述中间渐变段的两侧端部分别与对应侧的端部圆孔段平滑连通。

9、根据本技术提供的技术方案，所述弹性变形单元呈两两对称设置，相邻两个所述弹性变形单元的变形孔交错排布，且对称设置的两个所述弹性变形单元的变形孔一一对应设置，用于防止所述弹性套筒受压时发生径向屈曲。

10、根据本技术提供的技术方案，各所述fbg传感光纤与所述容置槽固定连接，且各所述fbg传感光纤的所述fbg栅区活动设置于对应的所述弹性变形区内。

11、根据本技术提供的技术方案，所述弹性套筒与所述电极尖端之间通过绝缘件连接，所述绝缘件用于将所述弹性套筒与电极内的有源刺激导线隔离。

12、根据本技术提供的技术方案，所述fbg传感光纤设置有四个，四个所述fbg传感光纤沿所述弹性套筒的外壁周向等间隔设置。

13、第二方面，本技术提供一种基于光纤力传感器的安全递送方法，采用第一方面所述的集成于脊髓电刺激电极的光纤力传感器实现，所述光纤力传感器与光纤解调仪连接，所述光纤解调仪与所述控制装置连接，包括如下步骤：

14、在脊髓电刺激电极递送过程中，通过光纤解调仪实时采集各fbg传感光纤的实时波长漂移量，将各所述实时波长漂移量构成列向量，并将所述列向量与解耦矩阵进行矩阵乘法运算，得到三维接触力和环境温度变化值；所述三维接触力至少包括：轴向力；所述解耦矩阵是通过标定灵敏度矩阵求逆获得的，所述标定灵敏度矩阵是基于各fbg传感光纤的波长漂移量分别与三维接触力和环境温度变化值之间的线性组合关系建立；

15、若判断所述轴向力大于或等于过载预警阈值，则发出过载预警信号，并调节递推速度。

16、根据本技术提供的技术方案，所述方法还包括：

17、向所述光纤力传感器分别施加第一方向、第二方向和第三方向的已知静态载荷，在不同环境温度下采集四个所述fbg传感光纤的反射中心波长漂移量；所述第一方向、第二方向和第三方向相互垂直；

18、以已知静态载荷的力值以及环境温度变化值为自变量，四个所述波长漂移量为因变量，通过最小二乘法拟合得到所述第一方向、第二方向和第三方向的灵敏度系数以及温度灵敏度系数，并建立标定灵敏度矩阵；

19、对所述标定灵敏度矩阵求逆，得到所述解耦矩阵。

20、根据本技术提供的技术方案，还包括如下步骤：

21、若判断所述轴向力小于所述过载预警阈值，则判断所述轴向力是否大于或等于接触阈值；其中，所述接触阈值小于所述过载预警阈值；

22、若是，则根据所述轴向力计算载荷变化率，判断所述载荷变化率是否大于冲击阈值；

23、若所述载荷变化率大于所述冲击阈值，则判定为尖端受阻事件，并发出受阻提示信号；

24、若所述载荷变化率小于或等于所述冲击阈值，则判定为尖端接触状态，并发出接触状态提示信号。

25、根据本技术提供的技术方案，还包括如下步骤：

26、根据三维接触力计算电极尖端的偏斜角和方位角，以供术者调整推送方向。

27、本技术的有益效果在于：

28、本技术提供一种集成于脊髓电刺激电极的光纤力传感器及安全递送方法，所述光纤力传感器通过在电极尖端设置弹性套筒，并在弹性套筒上开设多个沿周向间隔的弹性变形单元，多个所述弹性变形单元共同形成弹性变形区；同时在电极外壁设置多个沿轴向延伸至弹性套筒的容置槽，将多根fbg传感光纤分别设置于对应的容置槽内，且使fbg栅区处于弹性变形区内。多个弹性变形单元共同降低弹性套筒的轴向刚度，将微小的轴向位移转化为弹性变形区处的局部应变，且fbg栅区处于弹性变形区内，能够有效感知该局部应变。

29、基于上述结构，本技术通过在电极尖端集成fbg传感光纤，实现了scs电极尖端的三维力实时感知，有效弥补了术者依赖操作端间接触觉判断尖端状态时信号严重失真的不足，从根源上降低了硬脊膜刺破、神经根损伤等医源性损伤风险；同时，fbg传感光纤本身径细且本质抗电磁干扰，从根本上解决了传统电学传感器无法与有源刺激电极共集成、易受电刺激脉冲干扰的难题；此外，采用弹性套筒作为fbg传感光纤的安装基体，避免了将fbg传感光纤直接粘贴于柔性电极表面所带来的粘弹性迟滞与蠕变问题，保证了力测量的重复性与响应速度，并且弹性变形单元通过降低弹性套筒的局部轴向刚度，克服了薄壁管状电极轴向刚度大导致轴向力分辨率极低的技术障碍，而弹性套筒维持了传感段的结构稳定性，避免了柔性电极轴向受力时的径向屈曲变形，进一步提高了三维力解耦精度。